Réseaux d'antennes orientables électroniquement basés sur des métasurfaces, pour les systemes EHF – MESANGES

Pour atteindre les objectifs ci-dessus, le projet MESANGES a d’abord précisé dans le rapport D1.1 les scenarios et usages, et a mis en avant les contraintes du canal radio dans la bande millimétrique. Il a également produit des recommandations sur le design d’antennes mettant en œuvre des métasurfaces. Ces travaux ont été menés dans le lot 1 durant les 12 premiers mois du projet.

Les travaux du lot 2 ont consisté lors des 24 premiers mois du projet de la part de l’IEMN à l’étude du design d’une cellule unitaire basée sur des diodes p-i-n pour la fréquence 60 GHz. L’IEMN a également étudié différentes configurations de reflectarrays (RA) statiques et les travaux ont aboutir à la production d’un ensemble de RA statiques déviant le signal vers un angle déterminé en élévation et en azimut. Ces surfaces ont été fournies à Orange pour des tests radio.
Du côté du CEA-Leti, les travaux du lot 2 ont consisté dans le design et la réalisation d’un transmittarray (TA) partitionné en 4 parties éclairées par 4 sources RF indépendantes afin de servir 4 utilisateurs par multiplexage spatial.
Les résultats du lot 2 seront intégrés en juillet 2023 dans le livrable D2.1.

Dans le cadre du lot 3, différentes méthodes d’optimisation pour la configuration des surfaces intelligentes reconfigurables ont été évaluées par rapport au diagramme de rayonnement produit (gain du lobe principal, niveau des lobes secondaires). Une étude sur l’estimation de canal a été menée par le CNAM. Un algorithme de prédiction des blocages radio a été réalisé par Orange. Ces résultats sont présentés dans le livrable D3.1 décrit dans la section C.7 plus bas.

Le lot 4 a quant à lui consisté à réaliser de nombreuses campagnes de mesure radio notamment pour caractériser les bloqueurs radio à la fois dans la bande 26 GHz (mesures d’Orange) et dans la bande 60 GHz (mesures de l’INSA-IETR). Des mesures effectuées par le CEA-Leti ont permis de déterminer un modèle conjoint antenne canal. Orange a commencé la mise en place de 2 plateformes de tests radio d’une part pour la bande 26 GHz et d’autre part pour la bande 60 GHz. Des tests radio ont débuté dans la bande 60 GHz avec les surfaces statiques fournies par l’IEMN et se poursuivront dans la seconde partie du projet MESANGES.
L’ensemble des résultats issus du lot 4 est intégré dans les livrables D4.1 et D4.2 présentés dans la section C.7 plus bas.

En plus des travaux scientifiques listés ci-dessus le travail a également consisté en la rédaction et la signature de l’accord de consortium, et l’édition de 2 versions du plan de gestion des données.
Ont aussi été mis en place des outils collaboratifs (espace de partage de documents, listes mails, etc.) ainsi que du site web du projet MESANGES (https://www.mesanges.eurestools.eu/). Ce site est périodiquement mis à jour par les administrateurs du site : Jean-Philippe Javaudin (Orange) et Hmaied Shaiek (Le CNAM).

• Réalisation par l’IEMN de métasurfaces dans la bande 60 GHz (non reconfigurables) et testées par Orange.
• Réalisation par le CEA-Leti d’un transmittarray à 26 GHz qui pourra être testé en 2023.
• Réalisation par le CNAM et Orange d’algorithmes génétiques d’optimisation des phases des cellules unitaires des surfaces intelligentes reconfigurables (transmittaray ou reflectarray)
• Réalisation par Orange d’algorithmes basés sur des réseaux neuronaux profonds d’optimisation des phases des cellules unitaires des surfaces intelligentes reconfigurables (transmittaray ou reflectarray)
• Réalisation par Orange d’un algorithme de prédiction des blocages radios
• Réalisation par l’INSA-IETR d’une campagne de mesures d’effets des blocages radio dans la bande 60 GHz et par Orange dans la bande 26 GHz.

a completer

voir liste des publications dans le rapport intermédiaire

L’utilisation du spectre dans les bandes millimétriques devient incontournable pour permettre aux futurs réseaux sans fil d’offrir des gains de capacité significatifs. Toutefois les pertes de propagation devenant importantes, l’antenne et la formation de faisceaux deviennent des éléments clés pour maintenir une portée et des couts d’infrastructures raisonnables. Les solutions de réseaux d’antennes à commande de phase nécessitent un très grand nombre de chaînes RF et deviennent alors couteuses. Le projet a comme ambition de développer des solutions alternatives innovantes à base de métasurfaces reconfigurables. Les travaux cibleront 3 axes de recherche : la réalisation pratique de telles antennes dans les bandes EHF, les solutions techniques et algorithmiques permettant à l’antenne d’adresser simultanément plusieurs utilisateurs, et la reconfiguration rapide des faisceaux adaptés au canal radio.

Pour atteindre les objectifs ci-dessus, le projet précisera d’abord les scenarios et usages, mettra en avant les contraintes du canal radio dans la bande millimétrique, et fournira des recommandations sur le design d’antennes mettant en œuvre des métasurfaces. Ces travaux seront menés dans le lot 1 durant les 6 premiers mois.
Le lot 2 se concentre sur le design d’antennes orientables électroniquement basées sur un tableau de cellules unitaires ayant la possibilité de réfléchir/transmettre des ondes incidentes provenant de la (des) source(s) avec un déphasage dans un ensemble prédéfini comprenant un déphasage nul. Pour assurer la reconfigurabilité de ces cellules unitaires, un système de contrôle sera défini et mis en œuvre. Deux prototypes seront mis en œuvre dans le WP2 : tout d'abord, un système antennaire complet, comprenant un transmetteur à commande électronique, les systèmes focaux multi-éléments et la commande numérique. Il sera conçu, optimisé, fabriqué et entièrement caractérisé par le CEA Leti dans la bande 26-28 GHz. Le système d'antenne sera capable de générer au moins quatre faisceaux indépendants Des métasurfaces codées pour les ondes centimétriques et millimétriques sont actuellement développées dans le groupe DOME de l’IEMN. Dans le cadre d’un partenariat avec la DGA, l’objectif principal a été de proposer des structures artificielles pour la réduction de la section transversale du radar. Dans ce projet, en alternative aux substrats absorbants étudiés précédemment dans le groupe, l’idée est de dévier le faisceau incident dans une ou plusieurs directions hors de la portée du détecteur. Cette approche peut également être utilisée pour sélectionner la direction de réflexion du faisceau. Le groupe CSAM de l’IEMN apportera son expertise sur les structures accordables en ondes millimétriques basées sur des dispositifs de commutations à semi-conducteurs. La caractérisation du « reflectarray » sera réalisée à la plateforme télécom de l'institut IRCICA. Dans ce but, la chambre anéchoïque à 60 GHz, déjà disponible à l’IRICA, sera complétée avec une plateforme de contrôle Newport permettant un contrôle angulaire précis.
Dans le lot 3, la formation de faisceau sera étudiée pour les cas mono et multiutilisateurs, supposant la possibilité de plus d’un flux par utilisateur. L’optimisation de la grille de cellules unitaires peut être réalisée soit offline en utilisant des ensembles de codes prédéfinis, soit dynamiquement en appliquant des algorithmes comme l’Optimisation par essaim de particules, algorithmes génétiques, ou des approches deep learning. Le CNAM et Orange apporteront leur expertise dans ce domaine et mettront en œuvre ces algorithmes.
Une évaluation des performances des prototypes et des algorithmes de formation de faisceau sera réalisée dans un environnement réel dans le lot 4 grâce à un sondeur de canal, ou une approche SDR. Ce lot sera piloté par Orange avec des contributions de l’ensemble des partenaires, afin d’assurer une exploitation des résultats du projet MESANGES dans de futurs réseaux 5G+ et 6G.